KR20120072209A - 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치 및 방법 - Google Patents

광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사면에서 반사된 반사 신호의 산란 분포 특성을 도출하는 단계, 산란 분포 특성의 크기 분포를 분석하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 단계 및 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기를 비교하여 비교 결과에 따라, 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치 및 방법{Apparatus for ray-tracing of wideband Gbyte Gbps communication system and method thereof}
본 발명은 광대역 대용량 고속 통신시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광대역 대용량 고속 통신 시스템에서 반사면의 물리적 특성을 고려하여 전파 추적 정확도를 향상시키는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 통신 시스템의 경우 최대 수 메가 바이트의 데이터를 전송하고, 그 전송 속도 역시 수 Mbps면 충분했다. 그러나 최근의 콘텐츠의 다양화 및 고급화, 대용량화로 인해서 기존의 통신 방법으로는 감당하기는 매우 벅차게 되어 1기가 바이트 이상의 데이터 용량과 1Gbps 이상의 고속 전송을 필요로 하게 되었다.
이러한 통신 시스템을 구축하기 위해 최근 밀리미터파 이상의 주파수 대역에 대한 연구 및 통신 시스템 개발이 진행 중에 있으며, 현재 통신업계는 60 GHz, 70/80 GHz 대역에 대한 통신 시스템을 개발하고 있다.
종래에는 밀리미터파 대역의 신호의 경우 파장의 길이가 매우 짧기 때문에 기존의 전파 모델 및 예측 방법으로 분석하기에는 한계가 있다.
전파가 가시경로를 통해서 전달될 경우, 전파 전달 경로는 직접 경로를 유지하고, 신호의 세기는 거리에 따른 주파수 감쇠 함수로 나타낼 수 있다. 송신기와 수신기 사이에 장애물에 존재할 경우, 신호의 전달 경로는 송신기-장애물-수신기 순으로 결정되어, 수신기에 도달하는 신호의 세기는 거리에 따른 주파수 함수에 장애물의 매질의 전기적인 특성이 반영된 반사계수가 반영되어 결정된다.
이때 장애물의 표면은 매끈한 표면으로 가정된 스넬의 법칙으로 입사각과 같은 크기의 방향으로 반사각의 방향으로 장애물 매질의 전기적인 특성인 유전율과 도전율이 반영된 반사계수가 진행경로에 의한 감쇠 크기에 곱해져 장애물에 의한 신호 강도가 결정된다.
그러나, 기존 수백 MHz, 수 GHz 통신 시스템에서 장애물의 반사면이 매끈하다고 가정할 수 있었다면, 주파수가 수십 GHz 이상으로 상향될 경우에는, 신호의 파장은 밀리미터파 이하로 짧아지게 되어, 종래 기술과 같이 장애물의 반사면의 표면을 더 이상 매끈하게 가정할 수가 없다. 밀리미터파 대역의 경우 기존과 달리 반사면의 표면에 더 민감하게 반응하기 때문이다.
도 1 은 스넬의 법칙에 의한 전파의 반사 경로를 도시한 도면이다.
도 1 은 송신기(1)에서 나온 전파가 스넬의 법칙에 의해 장애물에 부딪힌 뒤에 수신기(2)에 전달되는 과정을 도시하고 있다.
종래의 광선추적 방법에서 송신기(1)에서 출발한 신호가 장애물(3)에 반사되어 수신기(2)로 도달할 경우, 반사 면의 법선 벡터(n)를 기준으로 입사각(∠a)과 동일한 크기의 각도(∠a=∠b)로 반사되고, 입사경로(3)의 길이 만큼의 거리 손실에 반사계수(Γ)가 곱해진 후, 반사 경로(4)의 길이만큼의 거리 손실이 수신기(2)에 신호 크기로 전달된다.
그러나 이 방식에 의할 경우에는 반드시 장애물이 온전히 평면상태임을 가정하고 있는 바, 이는 밀리미터파 이상의 주파수 대역을 분석하는 데에는 한계가 있다.
왜냐하면, 실제 환경에서 벽면의 표면이 매끈해 보이지만, 자세히 보면 작은 돌기들로 거친 표면을 형성하고 있기 때문이다. 따라서 전파경로가 송신기-장애물-수신기 경로일 경우 단순히 스넬의 법칙을 적용할 경우 예측 오차가 커지는 문제점이 있었다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 반사면에 의한 산란 분포 특성을 이용하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 신호로 구분하고, 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호의 크기에 따라 반사신호가 수신기에서 수신되는 전력을 계산하여 전파 추적의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법은 반사면에서 반사된 반사 신호의 산란 분포 특성을 도출하는 단계; 상기 산란 분포 특성의 크기 분포를 분석하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 단계; 및 상기 방향성이 있는 반사신호와 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기를 비교하여 상기 비교 결과에 따라, 상기 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계는 상기 비교 결과, 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사 신호의 신호 크기의 설정배수 미만이면, 상기 방향성이 있는 반사신호만을 이용하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계는 상기 비교 결과, 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사신호의 신호 크기의 설정배수 이상이면, 상기 반사신호 전체의 전력을 평균하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 설정배수는 1/2 배인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 단계는 상기 산란 분포 특성에서 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호를 추출하는 과정; 및 상기 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호의 신호 크기를 비교하여 신호 크기가 큰 반사신호를 상기 방향성이 있는 반사신호로 판별하고, 신호 크기가 작은 반사신호를 상기 방향성이 없는 반사신호로 판별하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치는 장애물에 반사된 반사신호를 수신하는 전파 수신부; 상기 전파 수신부에서 수신된 상기 반사신호의 산란 분포 특성을 분석하는 분석부; 상기 산란 분포 특성 분석부에서 도출된 상기 산란 분포 특성을 분석하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 반사신호 분석부; 및 상기 반사신호 분석부에서 구분된 상기 방향성이 있는 반사신호와 상기 방향성이 없는 반사신호의 크기를 비교하여 비교 결과에 따라 상기 반사신호의 수신 전력을 계산하는 수신 전력 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 수신 전력 계산부는 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사 신호의 신호 크기의 설정배수 미만이면, 상기 방향성이 있는 반사신호만을 이용하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 수신 전력 계산부는 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사신호의 신호 크기의 설정배수 이상이면, 상기 반사신호 전체의 전력을 평균하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 설정배수는 1/2 배인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 반사신호 분석부는 상기 산란 분포 특성에서 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호 중 신호 크기가 큰 반사신호를 상기 방향성이 있는 반사신호로 판별하고, 신호 크기가 작은 반사신호를 상기 방향성이 없는 반사신호로 판별하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 밀리미터파가 반사되는 반사면의 물리적 특성을 고려함으로써, 종래 스넬의 법칙에 의한 광선 추적의 방법에 비해 전파 추적의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1 은 스넬의 법칙에 의한 전파의 반사 경로를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시에에 따른 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치의 블럭 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법의 순서도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성이 있는 반사 신호의 에너지 분포를 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성이 없는 반사 신호의 에너지 분포를 나타낸 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사신호의 전력을 계산하는 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
통상적으로, 송신기(Rx)에서 출발한 신호가 장애물의 수평 방향을 기준으로 120도 각도에서 들어온다고 가정할 경우, 장애물의 거친 반사면에 의해 반사된 신호의 에너지 분포는 우(右) 반사 면에서 방출되는 60도 각도 방향으로 가장 센 신호가 분포하고, 전체 영역으로 산란된 신호가 분포되는 특성을 보인다.
이는 일 예를 나타낸 것으로서, 장애물의 반사면의 요철의 높이, 거친 굴곡의 상관관계, 입사각의 크기에 따라 그 특성이 달라질 수 있다.
장애물의 반사면에서 에너지 분포는 에너지 보존 법칙에 따라, 반사 면의 매질이 가지고 있는 전기적인 특성에 따른 반사 계수 만큼의 손실을 제외한 신호가 전체 영역으로 산란된다.
예를 들어, 송신기, 장애물, 수신기 순으로 진행되는 반사 매커니즘을 분석할 때, 보통 장애물의 표면은 매끈한 평면으로 송신기에서 출발한 입사 신호가 장애물에 부딪힌 후 수신기로 전달될 경우, 송신기에서 1의 입사 신호가 방출되면, 장애물 매질에 의한 전력 감소 0.3의 관계를 거쳐 수신기에는 0.7의 전력 크기가 전달된다.
이와 같이, 거친 표면의 높이와 거리 상관관계에 따라, 산란의 크기가 작을 경우 방향성이 있는 반사신호가 높은 에너지를 가지고, 방향성이 없는 반사 신호가 적은 에너지를 가지게 되므로, 산란 신호를 제외한 모습은 일반적인 스넬의 법칙에 의한 반사 과정과 유사한 모습을 보인다.
하지만, 산란 신호의 크기가 클 경우 산란 신호가 높은 에너지를 가지고, 반사 신호는 에너지가 작아서 전체적인 모습은 산란 신호만 있는 형태로 진행된다.
또한 반사면의 요철의 높이, 거리 상관관계에 따라 장애물의 반사 면의 굴곡에 따라 역 산란 신호가 강하게 되어, 전체적인 모습이 첫 번째의 경우와 달리 순 방향의 반사 신호와 역 방향의 반사 신호, 산란 신호 형태로 진행된다.
따라서, 송신기-장애물-수신기의 방향으로 전파 신호가 전달될 경우, 반사면의 거칠기 특성을 고려하여 실제 수신기 방향으로 전달되는 신호의 크기를 구하도록 한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시에에 따른 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치의 블럭 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 대용량 고속 통신 시스템의 전파 추적 장치는 도 2 에 도시된 바와 같이, 전파 수신부(10), 산란 분포 특성 분석부(20), 반사신호 분석부(30) 및 수신 전력 계산부(40)를 포함한다.
전파 수신부(10)는 장애물(3)에서 반사된 반사신호를 수신한다. 전파 분석부(10)는 반사신호를 수신할 수 있는 다양한 위치에 설치될 수 있다.
산란 분포 특성 분석부(20)는 장애물(3)에서 반사되어 전파 수신부(10)에서 수신된 반사신호의 산란 분포 특성을 분석한다.
이러한 산란 분포 특성은 장애물(3)의 반사면의 물리적인 특성 예를 들어, 반사면의 거친 부분의 높이와 거친 굴곡의 상관관계 등에 따라 신호가 센 영역에서 낮은 영역까지 다양하게 분포할 수 있다.
반사신호 분석부(30)는 산란 분포 특성 분석부(20)에서 분석된 산란 분포 특성의 크기 분포를 분석한다. 이때, 산란 분포 특성에서 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호를 추출한다. 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호의 신호 크기를 비교하여 신호 크기가 큰 반사신호를 방향성이 있는 반사신호로 판별하고, 신호 크기가 작은 반사신호를 방향성이 없는 반사신호로 판별한다.
수신 전력 계산부(30)는 반사신호 분석부(30)에서 분석된 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호를 이용하여 반사신호의 수신 전력을 계산한다.
즉, 방향성이 있는 반사신호와 상기 방향성이 없는 반사신호를 비교하고, 비교 결과, 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 방향성이 있는 반사 신호의 신호 크기의 설정배수 예를 들어, 1/2 미만이면, 방향성이 있는 반사신호만을 이용하여 반사 신호의 수신 전력을 계산한다.
반면에, 비교 결과, 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 방향성이 있는 반사신호의 신호 크기의 설정배수 이상이면, 방향성이 없는 반사신호의 전체의 전력을 평균하여 반사 신호의 수신 전력을 계산한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법을 도 3 내지 도 6 을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법의 순서도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성이 있는 반사 신호의 에너지 분포를 나타낸 도면이고, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성이 없는 반사 신호의 에너지 분포를 나타낸 도면이다. 도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사신호의 전력을 계산하는 일 예를 도시한 도면이다.
먼저, 전파 수신부(10)에서 장애물(3)에 반사된 반사신호를 수신하면, 산란 분포 특성 분석부(20)가 산란 분포 특성을 도출한다(S10).
이 경우, 산란 분포 특성 분석부(20)는 거친 표면의 높이 분포 및 간격 분포에 따른 반사 신호의 산란 분포 특성을 도출한다.
산란 분포 특성 분석부(20)에 의해 산란 분포 특성이 도출되면, 반사신호 분석부(30)가 산란 분포 특성에서 그 크기 분포를 분석하여 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호를 추출한다(S20).
반사신호 분석부(30)는 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호에서 신호 크기를 비교하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분한다.
이때, 신호 크기가 큰 반사신호를 방향성이 있는 반사신호로 판별하고, 신호 크기가 작은 반사신호를 방향성이 없는 반사신호로 판별한다(S30).
반사신호 분석부(30)에서 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호를 구분하면, 수신 전력 계산부(40)가 반사신호의 수신 전력을 계산한다(S40~S50).
즉, 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호를 비교하여 도 4 와 도 6 에 도시된 바와 같이, 방향성이 없는 반사신호, 즉 디퓨즈 신호(Diffuse signal)의 신호 크기(0.4)가 방향성이 있는 반사신호, 즉 스펙큘라 신호(Specular signal)의 신호 크기(0.8)의 설정배수 1/2 미만이면, 방향성이 있는 반사파만을 이용하여 그 전력 크기를 계산한다(S40,S50).
일 예로, 1의 크기의 입사 신호가 30도로 입사되고, 방향성이 있는 반사 신호가 10도로 반사되며, 표면 손실이 0.3, 산란 손실이 0.2가 발생되면, 수신기에는 1-(0.3+0.2) 의 계산 과정을 거쳐 0.5의 전력이 계산한다.
반면에, 도 5 에 도시된 바와 같이, 방향성이 없는 반사신호, 즉 디퓨즈 신호(Diffusee signal)의 신호 크기(0.6)가 방향성이 있는 반사신호, 즉 반사신호(Specular)의 신호 크기(0.8)의 설정배수 1/2 보다 큰 경우는 반사신호의 전력을 평균하여 수신 전력을 계산한다. 이는 에너지 보전 법칙에 의해 장애물의 거친 표면에서 반사 손실만큼 손실된 크기가 산란된 전체 영역으로 분포하기 때문이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
Tx: 송신기 10: 전파 수신부
20: 산판 분포 특성 분석부 30: 반사신호 분석부
40: 수신 전력 계산부

Claims (10)

  1. 반사면에서 반사된 반사 신호의 산란 분포 특성을 도출하는 단계;
    상기 산란 분포 특성의 크기 분포를 분석하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 단계; 및
    상기 방향성이 있는 반사신호와 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기를 비교하여 상기 비교 결과에 따라, 상기 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계를 포함하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계는
    상기 비교 결과, 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사 신호의 신호 크기의 설정배수 미만이면, 상기 방향성이 있는 반사신호만을 이용하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 신호의 수신 전력을 계산하는 단계는
    상기 비교 결과, 상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사신호의 신호 크기의 설정배수 이상이면, 상기 반사신호 전체의 전력을 평균하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 설정배수는 1/2 배인 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 단계는
    상기 산란 분포 특성에서 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호를 추출하는 과정; 및
    상기 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호의 신호 크기를 비교하여 신호 크기가 큰 반사신호를 상기 방향성이 있는 반사신호로 판별하고, 신호 크기가 작은 반사신호를 상기 방향성이 없는 반사신호로 판별하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 방법.
  6. 장애물에 반사된 반사신호를 수신하는 전파 수신부;
    상기 전파 수신부에서 수신된 상기 반사신호의 산란 분포 특성을 분석하는 분석부;
    상기 산란 분포 특성 분석부에서 도출된 상기 산란 분포 특성을 분석하여 방향성이 있는 반사신호와 방향성이 없는 반사신호로 구분하는 반사신호 분석부; 및
    상기 반사신호 분석부에서 구분된 상기 방향성이 있는 반사신호와 상기 방향성이 없는 반사신호의 크기를 비교하여 비교 결과에 따라 상기 반사신호의 수신 전력을 계산하는 수신 전력 계산부를 포함하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 수신 전력 계산부는
    상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사 신호의 신호 크기의 설정배수 미만이면, 상기 방향성이 있는 반사신호만을 이용하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 수신 전력 계산부는
    상기 방향성이 없는 반사신호의 신호 크기가 상기 방향성이 있는 반사신호의 신호 크기의 설정배수 이상이면, 상기 반사신호 전체의 전력을 평균하여 상기 수신 전력을 계산하는 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 설정배수는 1/2 배인 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 반사신호 분석부는
    상기 산란 분포 특성에서 신호 크기가 가장 큰 2개의 반사신호 중 신호 크기가 큰 반사신호를 상기 방향성이 있는 반사신호로 판별하고, 신호 크기가 작은 반사신호를 상기 방향성이 없는 반사신호로 판별하는 것을 특징으로 하는 광대역 대용량 고속 통신시스템의 전파 추적 장치.
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